CN1687791A - 抗冲击石英挠性加速度计 - Google Patents

Abstract

抗冲击石英挠性加速度计，由表头和伺服回路组成，加速度计表头包括上力矩器、下力矩器和位于上述两力矩器之间的粘有线圈的石英玻璃摆片，石英玻璃摆片包括支承环、挠性梁、摆和六个支承凸台，其特征在于：沿输出轴方向上在所述的石英玻璃摆片的支承环和摆之间加有限制石英玻璃摆片变形的限位结构，限制了石英玻璃摆片在输出轴方向大冲击下的变形，使挠性梁的应力小于石英玻璃材料的强度极限，保护石英玻璃摆片不发生断裂失效。本发明在不改变仪表外形结构的情况下，使石英挠性加速度计的抗冲击能力达到了250g，且成本低，简单易行，效果特别明显。

Description

抗冲击石英挠性加速度计

所属技术领域

本发明涉及一种石英加速度计，特别是一种抗冲击石英挠性加速度计。

背景技术

石英挠性加速度计是一种单轴摆式、力矩再平衡加速度计，主要用于惯性测量系统中。石英挠性加速度计由表头和伺服回路组成，其中表头如图1所示，它包括上力矩器1、下力矩器4和粘有线圈3的石英玻璃摆片2。石英玻璃摆片2的外形如图2所示，石英玻璃摆片2的主要结构包括支承环21、挠性梁22、摆23和正反两面六个支承凸台24。

当沿加速度计的输入轴方向有加速度时，由于惯性力的作用，在挠性梁的支承和约束下，石英玻璃摆片的摆将连同线圈一同发生移动。加速度计上的差动电容位置传感器敏感此位移，并由伺服回路向线圈输出与之相对应的电流，该电流和力矩器的磁场相互作用，产生电磁力矩来抵消惯性力矩的作用，使摆片始终保持在零位。此时输出电流的大小和输入的加速度成正比，因此可以作为对加速度的电气测量。石英挠性加速度计结构简单，体积小，重量轻，易装配，易调整，广泛应用于导航、控制等系统中。

随着石英挠性加速度计的广泛应用，一些工作在恶劣环境中的惯性测量装置在受到较大的冲击后，石英挠性加速度计出现了损坏的现象。由于结构尺寸和重量的限制，一些惯性测量装置无法安装减振装置，因此这些应用对石英挠性加速度提出的抗大冲击的要求，比如一些测量装置要求石英挠性加速度计能够承受250g的瞬时冲击而不损坏，这是目前的石英挠性加速度计很难达到的。

美国是研制生产石英挠性加速度计的主要国家之一，其产品种类最多。美国Honeywell公司研制的石英挠性加速度计，商业产品已达QA165/185等七个品种。美国石英挠性加速度计的抗冲击设计公布的很少。

我国于上世纪70年代末开始研制石英挠性加速度计，现在主要应用于各种惯性测量装置和控制系统中。经过二十多年的发展和完善，技术有了较大的进步，然而，目前我国石英挠性加速度计的品种还比较少，特别是抗冲击石英挠性加速度计几乎没有。因此，影响了光纤陀螺惯性测量系统的抗振性能。

本发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种抗冲击的石英挠性加速度计，该抗冲击石英挠性加速度计，在不改变仪表外形结构的情况下可以承受250g的半正弦跌落式冲击。

本发明的技术解决方案是：抗冲击石英挠性加速度计，由表头和伺服回路组成，加速度计表头包括上力矩器、下力矩器和位于上述两力矩器之间的粘有线圈的石英玻璃摆片，石英玻璃摆片包括支承环、挠性梁、摆和六个支承凸台，支承环位于摆片外缘，为圆环状结构，支承环上正反两面共有六个支承凸台，石英摆片的中部为半圆状的摆，摆通过两个方形的很薄的挠性梁与支承环相连，在摆与支承环之间具有一定的间隙，其特征在于：沿输出轴方向上，在所述的石英玻璃摆片的支承环和摆之间加有限制石英玻璃摆片变形的限位结构。

本发明的原理是：随着石英挠性加速度计的广泛应用，其抗冲击能力的问题也逐渐显露出来。一些工作在恶劣环境中的惯性测量装置在受到较大的冲击后，石英挠性加速度计出现了损坏的现象。由于结构尺寸和重量的限制，一些惯性测量装置无法安装减振装置，因此这些应用对石英挠性加速度提出的抗大冲击的要求，一些应用要求石英挠性加速度计能够承受250g以上的冲击而不损坏。研究结果表明，石英挠性加速度计在大冲击下的损坏主要是由于挠性梁的断裂造成，因此若提高石英挠性加速度计的抗冲击能力，必须首先提高石英玻璃摆片的抗冲击能力。

首先建立石英玻璃摆片模型，并分析计算在相应的力学载荷(加速度或变形)下摆片各处所受的应力和变形。在断裂前，石英玻璃摆片可认为是弹性体。根据弹性力学理论，用u，v，w分别表示弹性体上任何一点(x，y，z)的三个方向的位移，则摆片上一点的变形为 其中，ε_x，ε_y，ε_z为x，y，z方向上的正应变，γ_xy，γ_yz，γ_zx为xy，yz，zx方向上的剪应变。在线弹性和小变形的情况下，应变和位移之间的关系为

$\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zx}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂u}{\∂x}\\ \frac{\∂v}{\∂y}\\ \frac{\∂w}{\∂z}\\ \frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x}\\ \frac{\∂v}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂y}\\ \frac{\∂w}{\∂x}+\frac{\∂u}{\∂z}\end{array}\right]...\left(1\right)$

摆片上一点的应力状态由该点的应力分量σ＝[σ_x，σ_y，σ_z，τ_xy，τ_yz，τ_zx]^T所确定。其中，σ_x，σ_y，σ_z为x，y，z方向上的正应力，τ_xy，τ_yz，τ_zx为xy，yz，zx方向上的剪应力。

总应变ε与初应变ε₀之差ε-ε₀是由应力引起的应变，根据广义虎克定律有：

                            σ＝D(ε-ε₀)                     (2)

其中D称为弹性矩阵。

$D=\frac{E(1-\mathrm{\μ})}{(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}\left[\begin{array}{cccccc}1& a& a& & & \\ a& 1& a& & & \\ a& a& 1& & & \\ & & & b& & \\ & & & & b& \\ & & & & & b\end{array}\right]...\left(3\right)$

其中 $a=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}},b=\frac{1-2\mathrm{\μ}}{2(1-\mathrm{\μ})},$ E是弹性模量，μ是泊松比。

分析研究对失效的判定采用了最大拉应力准则：无论材料处于什么应力状态，只要发生脆性断裂，其共同原因都是由于微元内最大拉应力σ₁达到了某个共同的极限值σ₁₀，由脆性材料拉伸试验结果得到的脆性断裂的判据为

                      σ₁＝σ_b                             (4)

其中σ_b为材料强度极限。

根据(1)、(2)式并利用有限元方法对石英挠性加速度计摆组件的结构进行分析研究，研究结果确定：石英玻璃摆片在摆轴方向的大冲击下，受到的应力较小，结构强度较大；石英玻璃摆片在输入轴方向的大冲击下，由于力矩器的限位，挠性梁受到的最大应力将受到限制，一般不会发生损坏；石英玻璃摆片在输出轴方向的大冲击下，受到的应力较大，结构强度最弱，最容易损坏。因此提高石英玻璃摆片的抗冲击能力，最重要的是提高摆片抗输出轴方向冲击的能力。

因此本发明采用对现有的石英挠性加速度计进行结构改进，在摆片支承环和摆之间沿输出轴方向上增加了限位结构。该限位结构为石英挠性摆片支承环上的限位凸台25，或处在力矩器上，同支承环与摆之间气隙相对的限位销钉41。限位结构与摆之间的间隙为

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\δ}}_b}{n_b}...\left(5\right)$

其中，δ_b为挠性梁应力等于材料极限强度时，摆的变形；n_b为安全系数。

加速度计装配后，限位结构处在支承环和摆之间，起到限位和保护作用。当加速度计受到沿输出轴方向的大冲击时，摆与挠性梁将沿输出轴方向发生变形，当摆的变形超过限位结构与摆之间的间隙时，摆与限位结构发生接触。此时即使过载继续增大，摆的变形也不再增加，于是限制了挠性梁的最大应力，使其始终在材料的极限强度之内，保护挠性梁不会发生断裂失效。因此提高了石英挠性加速度计的抗冲击能力。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)采用具有限位凸台的石英玻璃摆片，或采用具有限位销钉的力矩器，使加速度计在石英玻璃摆片支承环和摆之间具有限位结构，限位结构与摆之间具有很小的间隙；当石英挠性加速度计受到沿输出轴方向的大冲击时，摆与限位结构发生接触，此时石英挠性摆片的最大变形受到限制，使挠性梁受到的应力小于材料的强度，保护挠性梁不会断裂失效。而现有的石英玻璃摆片或力矩器上，没有限位结构，无法对挠性梁在输出轴方向上进行保护，当加速度计受到沿输出轴方向的大冲击时，石英挠性摆片将发生很大变形，一旦挠性梁受到的应力大于材料的强度极限，挠性梁就会发生断裂失效。

(2)本发明在不改变目前仪表外形结构的情况下，提高了仪表的抗冲击能力，冲击试验表明，仪表可以承受250g的半正弦跌落式冲击，且成本低，简单易行，效果特别明显。

附图说明

图1为现有石英挠性加速度计的结构示意图；

图2为现有的石英玻璃摆片外形示意图；

图3为本发明加有限位凸台的石英玻璃摆片外形示意图；

图4为本发明加有限位销钉的下力矩器顶视图；

图5为本发明加有限位销钉的力矩器结构示意图；

图6为本发明的加速度计装配后，限位销钉与摆片之间的位置关系图；

图7为现有的加速度计挠性梁在250g输出轴方向加速度作用下，最大拉应力示意图；

图8为采用本发明后，加速度计挠性梁在250g输出轴方向加速度作用下，最大拉应力示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明实施例由上力矩器1、下力矩器4、粘有线圈3的石英玻璃摆片2组成，石英玻璃摆片2包括支承环21、挠性梁22、摆23、正反两面六个支承凸台24和限位凸台25，支承环21位于摆23外缘，为圆环状结构，支承环21正反两面共有六个支承凸台24，并具有两个限位凸台25，石英摆片2的中部为半圆状的摆，摆通过两个方形的很薄的挠性梁22与支承环21相连，在摆23与支承环21之间具有一定的间隙，两个限位凸台25处在支承环21与摆23之间的间隙之中。

如图4、5、6本发明的另一实施例，它由上力矩器1、下力矩器4、粘有线圈3的石英玻璃摆片2组成，石英玻璃摆片2包括支承环21、挠性梁22、摆23、六个支承凸台24，支承环21位于摆23外缘，为圆环状结构，上面正反两面共有六个支承凸台24，石英摆片2的中部为半圆状的摆，摆通过两个方形的很薄的挠性梁22与支承环21相连，在摆23与支承环21之间具有一定的间隙，下力矩器4具有限位销钉41，限位销钉位于同支承环21与摆23之间的间隙相对的位置。仪表装配时，粘有线圈3的石英玻璃摆片2固定在上下力矩器之间，由于限位销钉41同支承环21与摆23之间的气隙相对，装配后限位销钉41处在支承环21与摆23之间的间隙中。

上述两实施例限位凸台25或限位销钉41与摆23之间的间隙为

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\δ}}_b}{n_b}$

其中，δ_b为挠性梁应力等于材料极限强度时，摆的变形；n_b为安全系数。在本实施例中，挠性梁应力等于材料极限强度时，摆的变形δ_b＝0.05mm，安全系数n_b＝1.3，间隙δ≈0.04mm。

图7所示为使用现有石英玻璃摆片，加速度计挠性梁在250g输出轴方向加速度作用下，最大应力的计算结果。挠性梁的最大应力为7.159×10⁷Pa，已超过石英玻璃材料的抗拉强度5×10⁷Pa，因此挠性梁将发生断裂。

图8所示为本发明的加有限位结构的石英玻璃摆片，加速度计挠性梁在250g输出轴方向加速度作用下，最大应力的计算结果。由于限位结构的保护，挠性梁的最大应力被限为3.898×10⁷Pa，小于石英玻璃的抗拉强度5×10⁷Pa，挠性梁不会损坏。

表1为试验仪表在冲击试验前后的数据，试验表明，抗冲击石英挠性加速度计可以承受250g的半正弦跌落式冲击。

表1

试验仪表	冲击前K0(V)	冲击前K1(V/g)	冲击后K0(V)	冲击后K1(V/g)	ΔK0/K1(g)	ΔK1/K1
							1#	0.0032073	1.0718791	0.0033853	1.0719910	1.66×10-4g	1.044×10-4
2#	0.0022156	1.0620143	0.0025066	1.0621470	2.74×10-4g	1.25×10-4

Claims (3)

1、抗冲击石英挠性加速度计，由表头和伺服回路组成，加速度计表头包括上力矩器、下力矩器和位于上述两力矩器之间的粘有线圈的石英玻璃摆片，石英玻璃摆片包括支承环、挠性梁、摆和六个支承凸台，支承环位于摆片外缘，为圆环状结构，支承环上正反两面共有六个支承凸台，石英摆片的中部为半圆状的摆，摆通过两个方形的薄挠性梁与支承环相连，在摆与支承环之间具有一定的间隙，其特征在于：沿输出轴方向上在所述的石英玻璃摆片的支承环和摆之间加有限制石英玻璃摆片变形的限位结构。

2、根据权利要求1所述的抗冲击石英挠性加速度计，其特征在于：所述的限位结构与摆之间的间隙为 $\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\δ}}_b}{n_b}$ ，其中，δ_b为挠性梁应力等于材料极限强度时，摆的变形；n_b为安全系数。

3、根据权利要求1或2所述的抗冲击石英挠性加速度计，其特征在于：所述的限位结构为沿输出轴方向上设置在石英玻璃摆片支承环上的限位凸台，或设置在加速度计力矩器上同支承环与摆之间间隙相对的限位销钉。

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